超小型衛星が拓く雷起源電磁波を利用した宇宙環境モニタシステムの開発

• 研究課題/領域番号: 22K19845
• 研究種目: 挑戦的研究(萌芽)
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 中区分63:環境解析評価およびその関連分野
• 研究機関: 金沢大学
• 研究代表者: 笠原 禎也 金沢大学, 学術メディア創成センター, 教授 (50243051)
• 研究期間 (年度): 2022-06-30 – 2025-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2023年度)
• 配分額: 6,240千円 (直接経費: 4,800千円、間接経費: 1,440千円); 2024年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円); 2023年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円); 2022年度: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円)
• キーワード: プラズマ波動 / ディジタル受信器 / 超小型衛星 / 到来方向推定 / ディジタル信号処理

研究開始時の研究の概要

超小型衛星を用いて、電波の伝搬特性を活かしたリモートセンシングによる地球磁気圏の電磁環境モニタの道を拓く。そのため、
(A) 衛星内部から混入する人工雑音を衛星上の実時間演算で抑圧する技術
(B) 雷起源電波を検知し、到来方向や伝搬遅延特性を表すパラメータを実時間演算する技術
を開発し、超小型衛星に搭載可能な小型・軽量なディジタル受信器の基礎設計を行う。

研究実績の概要

太陽系内プラズマの電磁環境を網羅的に調査するには、小型化した衛星を複数配置した同時多点観測が必須である。超小型衛星による電磁波計測を実現するには、搭載受信器の超小型化と受信した電磁波信号を超高速（準リアルタイム）で機上処理し、必要な情報のみを地上伝送する機能の実現が求められる。
本研究計画では、プログラマブル論理チップ（FPGA）を用いて受信器を大幅に小型・軽量化し、(A) 衛星内から発生する搭載機器由来の雑音を除去する機能と(B) 観測データの連続実時間処理を行う信号処理モジュールを開発する。さらに雷起源の電磁波である雷ホイスラーなどの波動現象を検知・抽出し、波動の到来方向や分散値などの伝搬パラメータを実時間演算する機能を開発することで、超小型衛星に搭載可能な超小型・軽量な雷ホイスラー検出受信器を開発する。
今年度は、開発中の人工雑音除去機能の定量評価を行った。昨年度までに、周波数領域における振幅特性（スペクトル）で良好な雑音除去特性が得られることを確認済みであが、波形レベルでの振幅・位相特性は未確認であった。これに対し今年度は、所望信号に白色雑音や矩形波雑音を混入した信号の雑音除去後の信号が、どの程度、所望信号を正確に再現するかを、疑似信号を用いて、信号対雑音比（SN比）をパラメータとして定量的に明らかにした。
並行して、昨年度から着手している、受信信号中に観測された自然波動信号を検知する、波動イベント検出機能についても検討を行った。昨年度段階では、機上での実時間動作には計算量が過大であることが課題であったが、採用するアルゴリズムを簡素化し、検知性能を大きく損なうことなく計算負荷を削減する方法を考案した。
最終年度は、これらの開発した各モジュールを統合し、実機上での動作検証をめざす。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

雑音除去性能の定量評価に加え、雷起源電波などの自然波動を対象とするイベント検知機能についても実機搭載可能なロジックが確立しつつある。今後、実機検証を進め、問題点の洗い出しと、手法改善を進める。

今後の研究の推進方策

雑音除去とイベント検知の両機能は相補的な関係にあり、高い雑音除去性能が得られれば、イベント検知の特性改良につながる。両機能の実装・改良に加え、後段で波動の到来方向推定機能を組み合わせることで、検知した波動イベントの到来方向や分散値の算出に必要な伝搬パラメータを演算する機能を開発する。

研究成果

• [雑誌論文] Phase Difference of Electron Cyclotron Harmonic (ECH) Waves Observed by Using the Interferometry Observation Mode of the Arase Satellite (2023)
  • 著者名/発表者名: Nakagawa T., et al.,
  • 雑誌名: URSI Radio Science Letters 巻: 4
  • DOI: 10.46620/22-0046
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Interhemispheric ionosphere-plasmasphere system shows a high sensitivity to the exospheric neutral hydrogen density: a caution of the global reference atmospheric model hydrogen density (2023)
  • 著者名/発表者名: Dmytro Kotov, Phil G. Richards, Maryna Reznychenko, Oleksandr Bogomaz, Vladimir Truhlik, Susan Nossal, Edwin Mierkiewicz, Taras Zhivolup, Igor Domnin, Yoshizumi Miyoshi, Fuminori Tsuchiya, Atsushi Kumamoto, Yoshiya Kasahara, Masahiro Kitahara, Satoko Nakamura, Ayako Matsuoka, Iku Shinohara
  • 雑誌名: Frontiers in Astronomy and Space Sciences 巻: 10
  • DOI: 10.3389/fspas.2023.1113706
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Propagation Analysis Method Considering Angular Spread for Random Electromagnetic Waves in Magnetized Cold Plasma (2023)
  • 著者名/発表者名: Mamoru Ota, Yuji Tanaka, Yoshiya Kasahara
  • 雑誌名: Radio Science 巻: 58 号: 9
  • DOI: 10.1029/2023rs007673
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Whistler-mode waves in Mercury’s magnetosphere observed by BepiColombo/Mio (2023)
  • 著者名/発表者名: Mitsunori Ozaki, Satoshi Yagitani, Yasumasa Kasaba, Yoshiya Kasahara, Shoya Matsuda, Yoshiharu Omura, Mitsuru Hikishima, Fouad Sahraoui, Laurent Mirioni, Gerard Chanteur, Satoshi Kurita, Satoru Nakazawa, Go Murakami
  • 雑誌名: Nature Astronomy 巻: 7 号: 11 ページ: 1309-1316
  • DOI: 10.1038/s41550-023-02055-0
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] A Bayesian k-vector estimation method for electromagnetic waves in magnetized cold plasma (2023)
  • 著者名/発表者名: Yuji Tanaka, Mamoru Ota, Shoya Matsuda, Yoshiya Kasahara
  • 雑誌名: URSI Radio Science Bulletin 巻: 2021 号: 378 ページ: 77-82
  • DOI: 10.23919/ursirsb.2021.10292818
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A Proposal for Modification of Plasmaspheric Electron Density Profiles Using Characteristics of Lightning Whistlers (2023)
  • 著者名/発表者名: Putri Desy Purnami Singgih, Kasahara Yoshiya, Ota Mamoru, Matsuda Shoya, Tsuchiya Fuminori, Kumamoto Atsushi, Matsuoka Ayako, Miyoshi Yoshizumi
  • 雑誌名: Remote Sensing 巻: 15 号: 5 ページ: 1306-1306
  • DOI: 10.3390/rs15051306
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Whistler‐Mode Transmission Experiments in the Radiation Belts: DSX TNT Circuit Simulation and Data Analysis (2023)
  • 著者名/発表者名: Tu Jiannan, Song Paul, Galkin Ivan A., Reinisch Bodo W., Johnston William R., Starks Michael J., Su Yi‐Jiun, Cooke David, Ginet Gregory P., Inan Umran S., Lauben David S., Miyoshi Yoshizumi, Matsuda Shoya, Kasahara Yoshiya, Kojima Hirotsugu, Shinohara Iku
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Space Physics 巻: 128 号: 4
  • DOI: 10.1029/2022ja030564
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Sigma-Delta Beamformer DOA Estimation for Distributed Array Radar (2022)
  • 著者名/発表者名: ITO Toshihiro, MATSUDA Shoji, KASAHARA Yoshiya
  • 雑誌名: IEICE Transactions on Communications 巻: E105.B 号: 12 ページ: 1589-1599
  • DOI: 10.1587/transcom.2021EBP3211
  • ISSN: 0916-8516, 1745-1345
  • 年月日: 2022-12-01
  • 査読あり
• [雑誌論文] Space-to-space very low frequency radio transmission in the magnetosphere using the DSX and Arase satellites (2022)
  • 著者名/発表者名: McCollough J. P., Miyoshi Y., Ginet G. P., Johnston W. R., Su Y.-J., Starks M. J., Kasahara Y., et al.
  • 雑誌名: Earth, Planets and Space 巻: 74 号: 1 ページ: 64-64
  • DOI: 10.1186/s40623-022-01605-6
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Collaborative Research Activities of the Arase and Van Allen Probes (2022)
  • 著者名/発表者名: Miyoshi Y.、Shinohara I.、Ukhorskiy S.、Claudepierre S. G.、Mitani T.、Takashima T.、Hori T.、Santolik O.、Kolmasova I.、Matsuda S.、Kasahara Y.、Teramoto M.、Katoh Y.、Hikishima M.、Kojima H.、Kurita S.、Imajo S.、Higashio N.、Kasahara S.、Yokota S.、Asamura K.、Kazama Y.、Wang S.-Y.、Jun C.-W.、Kasaba Y.、et al.
  • 雑誌名: Space Science Reviews 巻: 218 号: 5 ページ: 38-38
  • DOI: 10.1007/s11214-022-00885-4
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Identification Approach of Arriving Wave Model Based on Likelihood Ratio Test With Different Sensor Noise Levels (2022)
  • 著者名/発表者名: Tanaka Yuji, Ota Mamoru, Kasahara Yoshiya
  • 雑誌名: Radio Science 巻: 57 号: 8
  • DOI: 10.1029/2022rs007427
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A Calibration Method of Short‐Time Waveform Signals Passed Through Linear Time‐Invariant Systems: 1. Methodology and Simple Examples (2022)
  • 著者名/発表者名: Kitahara M., Matsuda S., Katoh Y., Kojima H., Kasahara Y., Miyoshi Y., Nakamura S., Hikishima M.
  • 雑誌名: Radio Science 巻: 57 号: 9
  • DOI: 10.1029/2022rs007454
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Non-sinusoidal waveforms of electric potential produced by photoelectrons and spacecraft charging detected by Arase PWE (2023)
  • 著者名/発表者名: Tomoko Nakagawa, Tomoaki Hori, Satoko Nakamura, Yasumasa Kasaba, Masafumi Shoji, Yoshizumi Miyoshi, Masahiro Kitahara, Shoya Matsuda, Yoshiya Kasahara, Iku Shinohara
  • 学会等名: Japan Geoscience Union (JpGU) 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Development of the simulator for onboard data recorder and application to Kanazawa University Satellite "KOYOH" (2023)
  • 著者名/発表者名: Daichi Eguchi, Yoshiya Kasahara, Shoya Matsuda, Tomohiko Imachi, Yasuhiro Kishino, Takashi Ito, Shogo Ishiguro, Satoshi Yagitani
  • 学会等名: Japan Geoscience Union (JpGU) 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Study on the Automatic Event Classification System using an Machine Learning Inference on FPGA (2023)
  • 著者名/発表者名: Taisei Ukita, Shoya Matsuda, Yoshiya Kasahara
  • 学会等名: Japan Geoscience Union (JpGU) 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Tracking the Upper Hybrid Resonance Emission in the Inner Magnetosphere using a Convolutional Neural Network (2023)
  • 著者名/発表者名: Shoya Matsuda, Tatsuhito Hasegawa, Atsushi Kumamoto, Fuminori Tsuchiya, Yoshiya Kasahara, Yoshizumi Miyoshi, Yasumasa Kasaba, Ayako Matsuoka, Iku Shinohara
  • 学会等名: 35th URSI General Assembly and Scientific Symposium (URSI GASS 2023)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Statistical Features of Plasma Wave Spectra Derived from 6 Years Observation by PWE/OFA on board the Arase (2023)
  • 著者名/発表者名: Yoshiya Kasahara, Keita Hayashi, Shoya Matsuda, Yoshizumi Miyoshi, Ayako Matsuoka, Jean-Francois Ripoll, David M. Malaspina, Satoko Nakamura, Iku Shinohara
  • 学会等名: 35th URSI General Assembly and Scientific Symposium (URSI GASS 2023)
  • 国際学会
• [学会発表] Plasma wave observations by the LFAS/WFC onboard the SS-520-3 sounding rocket (2023)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Zushi, Satoshi Kurita, Keigo Ishisaka, Yoshiya Kasahara, Mitsunori Ozaki, Satoshi Yagitani, Yuto Katoh, Takumi Abe, Keisuke Hosokawa, Yasunobu Ogawa, Yoshifumi Saito, Hirotsugu Kojima
  • 学会等名: 35th URSI General Assembly and Scientific Symposium (URSI GASS 2023)
  • 国際学会
• [学会発表] Feature analysis of chorus elements observed by the Arase satellite (2023)
  • 著者名/発表者名: Takaya Hiratsuka, Yoshiya Kasahara, Shoya Matsuda, Yoshizumi Miyoshi, Iku Shinohara
  • 学会等名: 35th URSI General Assembly and Scientific Symposium (URSI GASS 2023)
  • 国際学会
• [学会発表] Modeling Electric Potential Produced by Photoelectrons and Spacecraft charging: A case of the Arase satellite (2023)
  • 著者名/発表者名: Tomoko Nakagawa, Tomoaki Hori, Satoko Nakamura, Yasumasa Kasaba, Masafumi Shoji, Yoshizumi Miyoshi, Masahiro Kitahara, Shoya Matsuda, Yoshiya Kasahara, Iku Shinohara
  • 学会等名: 35th URSI General Assembly and Scientific Symposium (URSI GASS 2023)
  • 国際学会
• [学会発表] Development of KOYOH and Space Science and Technology Education at Kanazawa University (2023)
  • 著者名/発表者名: Tomohiko Imachi, Satoshi Yagitani, Daisuke Yonetoku, Yoshiya Kasahara, Tatsuya Sawano, Ichiro Jikuya, Yasuhiro Shoji, Makoto Arimoto, Shoya Matsuda, Mitsunori Ozaki, Ryuichi Fujimoto
  • 学会等名: 35th URSI General Assembly and Scientific Symposium (URSI GASS 2023)
  • 国際学会
• [学会発表] 光電子と衛星帯電によるスプリアス太陽向き電場成分の除去 (2023)
  • 著者名/発表者名: 中川 朋子, 堀 智昭, 中村 紗都子, 笠羽 康正, 小路 真史, 三好 由純, 松田 昇也, 笠原 禎也, 篠原 育
  • 学会等名: 地球電磁気・地球惑星圏学会(SGEPSS)2023年秋季年会
• [学会発表] Development of the real-time steady-state noise reduction module for plasma wave waveforms on FPGA (2023)
  • 著者名/発表者名: 水野 辰之佑, 笠原 禎也, 松田 昇也
  • 学会等名: 地球電磁気・地球惑星圏学会(SGEPSS)2023年秋季年会
• [学会発表] あらせ衛星で観測されたNWC送信局信号の伝搬特性解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 牛山 大洋, 笠原 禎也, 松田 昇也, 土屋 史紀, 熊本 篤志, 松岡 彩子, 三好 由純, 中村 紗都子, 篠原 育
  • 学会等名: 地球電磁気・地球惑星圏学会(SGEPSS)2023年秋季年会
• [学会発表] Plasma wave measurements and remote sensing techniques for the solar-terrestrial research (2023)
  • 著者名/発表者名: Yoshiya Kasahara
  • 学会等名: Invited Lecture at Udayana University, Indonesia
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Signal processing technology in radio science for solar-terrestrial research (2023)
  • 著者名/発表者名: Yoshiya Kasahara
  • 学会等名: 2023 IEEE Asia Pacific Conference on Wireless and Mobile (APWiMob2023)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Propagation characteristics of the NWC signals detected by the Arase satellite (2023)
  • 著者名/発表者名: Yoshiya Kasahara, Taiyoh Ushiyama, Yui Umezawa, Shoya Matsuda, Fuminori Tsuchiya, Atsushi Kumamoto, Ayako Matsuoka, Yoshizumi Miyoshi, Gregory Cunningham, Jean-Francois Ripoll and David Malaspina
  • 学会等名: American Geophysical Union Fall Meeting 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Recent advances in plasma wave observation by Arase and future prospects of plasma wave measurements (2023)
  • 著者名/発表者名: Yoshiya Kasahara
  • 学会等名: Symposium on the Future of Heliospheric Science: From Geotail and Beyond
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Microsatellite development and Eduaction of Space Science and Technology at Kanazawa University (2022)
  • 著者名/発表者名: T. Imachi, S. Yagitani, D. Yonetoku, Y. Kasahara, T. Sawano, I. Jikuya, Y. Shoji, M. Arimoto, S. Matsuda, M. Ozaki, R. Fujimoto
  • 学会等名: Japan Geoscience Union (JPGU) 2022
  • 国際学会
• [学会発表] Development of the software implemented in the onboard computer (OBC) for Kanazawa University Satellite "KOYOH" (2022)
  • 著者名/発表者名: Y. Kishino, Y. Inoue, A. Sasaoka, T. Ito, Y. Kasahara, T. Imachi, T. Sawano, S. Matsuda, Y. Shoji, I. Jikuya, M. Arimoto, D. Yonetoku, S. Yagitani
  • 学会等名: Japan Geoscience Union (JPGU) 2022
  • 国際学会
• [学会発表] Evaluation of type II error of the Identification Method of Arriving Wave Model Based on Likelihood Ratio Tests (2022)
  • 著者名/発表者名: Yuji Tanaka, Yoshiya Kasahara, Shoya Matsuda, Mamoru Ota
  • 学会等名: AP-AT-RASC 2022
  • 国際学会
• [学会発表] Intercalibrated multi-point measurements of whistler mode waves by Van Allen Probes and Arase (2022)
  • 著者名/発表者名: O. Santolik, D. Hartley, G. B. Hospodarsky, Y. Kasahara, H. Kojima, I. Kolmasova, W. S. Kurth, S. Matsuda, A. Matsuoka, Y. Miyoshi, I. Shinohara
  • 学会等名: AP-AT-RASC 2022
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Latitude and Magnetic Local Time Dependences of Whistler Mode Waves in the Inner Magnetosphere Observed by PWE/OFA on board the Arase (2022)
  • 著者名/発表者名: Yoshiya Kasahara, Keita Hayashi, David Malaspina, Shoya Matsuda, Ayako Matsuoka, Yoshizumi Miyoshi, Jean-Francois Ripoll
  • 学会等名: AP-AT-RASC 2022
  • 国際学会
• [学会発表] Detailed Evaluation with Bayesian k-vector Estimation Method for Plasma Waves (2022)
  • 著者名/発表者名: Yuji Tanaka, Mamoru Ota, Shoya Matsuda, Yoshiya Kasahara
  • 学会等名: 地球電磁気・地球惑星圏学会第152回総会および講演会
• [学会発表] あらせ衛星で観測されたコーラスエレメントの特徴解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 平塚 貴也, 松田 昇也, 笠原 禎也, 中村 紗都子, 北原 理弘, 三好 由純, 篠原 育
  • 学会等名: 地球電磁気・地球惑星圏学会第152回総会および講演会
• [学会発表] あらせ衛星で観測されたホイスラーモード波の空間分布に関する統計解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 林 京汰, 笠原 禎也, 松田 昇也, 土屋 史紀, 熊本 篤志, 北原 理弘, 松岡 彩子, 中村 紗都子, 三好 由純, 篠原 育, Malaspina David,Ripoll Jean-Francois
  • 学会等名: 地球電磁気・地球惑星圏学会第152回総会および講演会
• [学会発表] Electron density profile approximation technique by using lightning whistler propagation characteristic (2022)
  • 著者名/発表者名: Desy Purnami Singgih Putri, Yoshiya Kasahara, Shoya Matsuda, Fuminori Tsuchiya, Atsushi Kumamoto, Ayako Matsuoka
  • 学会等名: 地球電磁気・地球惑星圏学会第152回総会および講演会
• [学会発表] Mercury Flybys of BepiColombo/Mio PWI and Prelaunch of JUICE RPWI: Collaborations with Europe (2022)
  • 著者名/発表者名: Y. Kasaba, H. Kojima, S. Kurita, S. Yagitani, M. Ozaki, Y. Kasahara, S. Matsuda, F. Tsuchiya, H. Misawa, A. Kumamoto, T. Kimura, H. Kita, M. Kitahara, S. Sakai, R. Yasuda, Y. Miyoshi, BepiColombo Mio PWI Team, JUICE RPWI Team
  • 学会等名: 地球電磁気・地球惑星圏学会第152回総会および講演会
• [学会発表] Spatial distribution of plasma waves statistically revealed by the PWE/OFA aboard Arase (2022)
  • 著者名/発表者名: Yoshiya Kasahara, Keita Hayashi, Shoya Matsuda, Yoshizumi Miyoshi, Ayako Matsuoka, Jean-Francois Ripoll, David Malaspina
  • 学会等名: American Geophysical Union Fall Meeting 2022
  • 国際学会